中频透热炉中移动坯料的温控装置及方法

技术领域

    本发明涉及一种锻造领域中坯料预热过程的温控装置及方法，具体讲是一种中频透

热炉中移动坯料的温控装置及方法，换句话说，是一种对中频透热炉中移动坯料的透热

过程进行温控的装置及方法。

背景技术

    中频透热炉以其热效率高、加热时间短，加热后的工件表面氧化脱碳少、工件畸变小、

可控性好、易于实现机械化和自动化等特点，在锻造领域得到广泛的应用。由于锻造的坯

料的温度值及内外温度是否均匀直接影响着锻件的组织和力学性能，故用中频透热炉透热

（即穿透加热）的坯料要求透热后的温度达到设计要求值且坯料内外温差最小（即温度均

匀化）。

    而坯料透热后的温度值以及坯料的内外温度是否均匀是由坯料在炉体内的停留时间、

坯料的透热功率密度、中频透热炉的透热频率三个参数决定的。在中频透热炉透热时，坯

料在炉内停留时间过长，会造成其表面氧化层的增厚，甚至过烧，导致锻造部位的强韧性

恶化，从而缩短锻件使用寿命；坯料在炉内停留时间过短，则其温度过低，无法顺利锻压，

缩短锻压设备的使用寿命。坯料的透热功率密度是指单位面积的坯料的透热功率，它是由

中频透热炉的输出功率决定的，坯料的透热功率密度则决走坯料的熔化速度，如果透热功

率密度过大会导致工件表面过热甚至熔化；如果透热功率密度过小会使得工件加热时间过

长，最终导致生产效率低下。中频透热炉的透热频率则决定坯料的透热深度，透热频率过

高，会使得加热深度浅，最终导致坯料的内外温差过大；而透热频率过低，虽然能减小内

外温差，但会引起加热线圈总的电流及铜损增大，最终导致电效率降低，能耗增大。而中

频透热炉中移动坯料的温控，就是通过调节坯料在炉体内的停留时间、中频透热炉的输出

功率、中频透热炉的透热频率三个参数，使得透热后的坯料的温度达到设计要求值且温度

均匀化，进而保证坯料的组织和力学性能满足锻造要求。

    但现有技术的温控设备和方法很难对中频透热炉进行精确实时的温控，其具体原因如

下：

    现有技术的温控装置包括非接触式和接触式。非接触式温控装置通过测量坯料的辐射

能，根据热辐射能与温度之间的对应关系换算出温度值，然而炉体加热时，炉腔内产生大

量的烟雾和灰尘对温控装置接收辐射能的过程产生干扰，故非接触式温控装置测温效果很

差，温度采集精度低，而且，更关键的是，受到炉腔内狭窄空间的限制，测温装置无法随

坯料跟进，只能测出炉腔入口处和出口处的温度值，故温度的采集范围小。接触式温控装

置如保护管热电偶式是指在热电偶外设置一层陶瓷材料的保护套管，坯料与保护管接触，

通过保护管将热量传递给热电偶进行测温，但由于保护管存在时间上的滞后性，故温度的

采集精度低，而且，由于炉腔内空间狭窄，炉壁与坯料之间缝隙很小，故很难将热电偶设

在炉腔内部，只能在炉腔出口处设置一个热电偶，故温度的采集范围小，同样无法满足温

控的精度要求。

    由于上述温控装置存在各种局限，故现有技术的中频透热炉中移动坯料的温控方法也

只能是根据炉腔出口处坯料的温度依据经验来调节坯料在炉体内的停留时间、中频透热炉

的输出功率、中频透热炉的透热频率这三个参数。但中频透热炉加热是将坯料置于交变磁

场中，利用坯料内部产生的感应电流将坯料加热，坯料温度升高会使得坯料的导电性能、

导磁性能均发生变化，也就是说，炉内的电磁场和温度场之间是相互影响、相互耦合的。

因此，在确定坯料透热参数时，仅靠炉腔出口处坯料的温度值以及经验来判定，无法保证

坯料的透热温度值达到设计要求且温度均匀化。即使经过反复多次的调试，得出的三个参

数也不理想。

    所以，目前，人们一般采用的是留有相当大的加热余量以弥补加热参数不准确造成的

缺陷，但这样势必造成能源的浪费，而且，对于具有较高质量要求的锻件，这种不精确的

温控无法满足锻件的需要。

发明内容

    本发明要解决的技术问题是，提供一种能在坯料透热全过程中精确、连续测量同一个

坯料同一位置的温度值的中频透热炉中移动坯料的温控装置。

    本发明的技术解决方案是，提供一种中频透热炉中移动坯料的温控装置，它包括温控

仪表、两根由两种不同成分的材质导体构成的热电偶丝、两根补偿导线、中频控制柜、PLC

控制面板、一根导轨和一块移动板，两根热电偶丝的同一端通过两根补偿导线与温控仪表

的触点连接，两根热电偶丝的另一端相互熔接成测温节点，所述的温控仪表与中频控制柜

电连接，所述的中频控制柜与PLC控制面板电连接，所述的导轨固定在中频透热炉的炉腔

上部，所述的移动板滑配合于导轨内，所述的移动板的前端固定有一挡板，每根热电偶丝

弯折成横向部分和竖直向部分，所述的横向部分固定在移动板上，所述的竖直向部分向下

延伸，所述的测温节点位于两根竖直向部分的下端，所述的测温节点与移动板之间设有能

将测温节点压紧在坯料上表面的压紧装置。

    所述的压紧装置是指，所述的测温节点的上部固定有陶瓷垫圈I，所述的热电偶丝的

竖直向部分的上部设有与移动板固定的陶瓷垫圈II，所述的陶瓷垫圈I与陶瓷垫圈II之间

设有压簧，所述的热电偶丝的竖直向部分从上往下依次贯穿陶瓷垫圈II、压簧和陶瓷垫圈

I。

    所述的测温节点为半球状，所述的测温节点的下端面与坯料的上表面形状吻合。

    所述的横向部分固定在移动板上是指，所述的移动板为中空结构，所述的两根热电偶

丝外包裹有一层耐高温绝缘绝热的玻璃丝布，每根热电偶丝的横向部分位于移动板的中空

部且横向部分的玻璃丝布与移动板之间填充有耐火泥。

    所述的导轨、移动板、挡板、压簧都为不导磁材料构成。

    所述的不导磁材料为不导磁不锈钢。

    本发明要解决的另一技术问题是，提供一种能快速、精确调节坯料在炉体内的停留时

间、中频透热炉的输出功率、中频透热炉的透热频率这三个参数的中频透热炉中移动坯料

的温控方法，该温控方法能使得透热后的坯料的温度达到设计要求值且温度均匀化，进而保

证坯料的组织和力学性能满足锻造要求。

    本发明的另一技术解决方案是，提供一种中频透热炉中移动坯料的温控方法，其步骤

如下：

    a、确定理想曲线，根据坯料的尺寸和材料，利用计算机仿真软件模拟出最优化的坯料

均匀透热的温度与时间曲线，即理想曲线，并将该理想曲线输入温控仪表；

    b、从该曲线上找出设计要求的坯料透热后的温度值所对应的时间，该时间就是坯料在

炉体内的停留时间的最佳值；

    c、将坯料在炉体内开始透热的时刻作为起始时刻，通过权利要求1所述的测温装置测

出该时刻坯料的温度值；

    d、温控仪表将上一步骤中测出的温度值与步骤a中的理想曲线上同一时刻的温度值进

行比较，得到差值；

    e、温控仪表将上一步骤中得到的差值反馈给中频控制柜；

    f、中频控制柜根据上一步骤中反馈的差值换算出合适的电压值、电流值和频率值，并

将上述电压值、电流值和频率值施加到中频透热炉的感应线圈两端，使得中频透热炉产生

新的输出功率值和透热频率值，此刻产生的新的输出功率值和透热频率值，能使得坯料的

温度值向理想曲线上此刻的温度值逼近；

    g、用PLC控制面板记录此刻中频透热炉的输出功率和透热频率；

    h、在权利要求1所述的温控装置的上一次测温过程结束后，经历一个温度值采集时间

间隔，再用权利要求1所述的温控装置测出该时刻坯料的温度值；

    i、重复步骤d～g;

    j、多次重复步骤h~i，直至坯料透热完成离开炉体；

    k、将PLC控制面板记录的坯料透热全过程中各个时刻的中频透热炉的输出功率和透

热频率导入计算机，通过计算机数值拟合的方法得出中频透热炉的输出功率和透热频率的

拟合值，上述两个拟合值就是中频透热炉的输出功率、中频透热炉的透热频率两个参数的

最佳值。

    本发明中频透热炉中移动坯料的温控装置及方法与现有技术相比，具有以下显著优点

和有益效果：

    由于本发明中频透热炉中移动坯料的温控装置的热电偶丝与移动板固定，而移动板前

端设有挡板，且所述的测温节点与移动板之间设有能将测温节点压紧在坯料上表面的压紧

装置，故将被测坯料的前端与挡板抵紧且通过压紧装置将测温节点压紧在坯料上表面后，

随着坯料在炉腔内移动透热，移动的坯料会前推挡板，进而带动移动板及热电偶丝，使得

热电偶丝竖直向部分下端的测温节点也始终随着坯料移动，且由于测温节点被压紧装置压

紧在坯料上表面，这样，该温控装置能在坯料透热的全过程中连续测量同一个坯料的同一

位置的温度值，实现了对移动坯料的实时跟踪测温；又由于测温节点与被测坯料直接接触，

本发明的温控装置克服了非接触式温控装置受炉腔内烟雾和粉尘干扰产生的测温误差的缺

点，测量精度高；同样由于测温节点与被测坯料直接接触，本发明温控装置克服了保护管

式温控装置时间上存在滞后性的缺点，故测量精度高；还由于所述的测温节点与移动板之

间设有能将测温节点压紧在坯料上表面的压紧装置，故本发明温控装置能适用于不同尺寸

的坯料。

    作为改进，所述的测温节点为半球状，所述的测温节点的下端面与坯料的上表面形状

吻合，这样，增大了测温节点与坯料的接触面积，提高了测量的精确性；而且，所述的测

温节点的下端面与坯料的上表面形状吻合，使得测温节点被压紧装置更牢固地压紧在坯料

上表面，避免了测温节点与坯料的相对移动，保证了对同一坯料的同一位置的测温，提高

了测量的准确性和稳定性。

    作为再改进，所述的导轨、移动板、挡板、弹簧都为不导磁材料如不导磁不锈钢构成，

这样，避免了上述部件在中频磁场的感应作用下发热，提高了上述部件的使用寿命。

    相对于仅靠炉腔出口处坯料的温度值以及经验经过反复多次的调试得出的三个参数

的传统方法，本发明中频透热炉中移动坯料的温控方法仅仅经过一次调节，就能准确的得

到坯料在炉体内的停留时间、中频透热炉的输出功率和透热频率这三个参数，使得透热后

的坯料的温度达到设计要求值且温度均匀化，进而保证坯料的组织和力学性能满足锻造要

求，故更快速、更精确；相对于留有相当大的加热余量的传统方法，本发明温控方法能耗

浪费小、控制精度高、透热坯料更符合锻造要求。

附图说明

 图1是本发明中频透热炉中移动坯料的温控装置的局部正视剖视结构示意图。

图2是图1的局部放大结构示意图。

图3是本发明中频透热炉中移动坯料的温控装置的侧视结构示意图。

图4是图2的局部放大结构示意图。

图5是本发明中频透热炉中移动坯料的温控方法中的最优化的坯料均匀透热的温度与

时间曲线及坯料实际透热的温度与时间的曲线。

图6是本发明中频透热炉中移动坯料的温控方法中对中频透热炉的透热频率进行拟合

时的示意图。

图7是本发明中频透热炉中移动坯料的温控方法中对中频透热炉的输出功率进行拟合

时的示意图。

    图中所示  1、温控仪表，2、热电偶丝，3、补偿导线，4、测温节点，5，导轨，6、

移动板，7、挡板，8、陶瓷垫片I，9、陶瓷垫片II，10、压簧，1 1、坯料，12、炉腔。

具体实施方式

    下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

    如图1、图2、图3、图4所示，本发明中频透热炉中移动坯料的温控装置，它包括温

控仪表l、两根由两种不同成分的材质导体构成的热电偶丝2、两根补偿导线3、中频控制

柜（图中未标示）、PLC控制面板（图中未标示）、一根导轨5和一块移动板6。两根热电偶

丝2的同一端通过两根补偿导线3与温控仪表l的触点连接，即一根热电偶丝2的一端通

过一根补偿导线3与温控仪表1的一个触点连接，另一根热电偶丝2的同一端通过另一根

补偿导线3与温控仪表1的另一个触点连接。两根热电偶丝2的另一端相互熔接成测温节

点4。所述的温控仪表1与中频控制柜电连接，所述的中频控制柜与PLC控制面板电连接。

所述的温控仪表1为市售的智能型温控仪表，其型号为XMTA-808，该型号的温控仪表1内

设有集成放大器，能显示数据和比较数据；所述的中频控制柜为市售，其型号为GW-J，该

型号的中频控制柜内含有模拟电路，能够根据收到的信息发出指令来调控某些参数；所述

的PLC控制面板为市售，其型号为西门子S7-200。

    所述的导轨5固定在中频透热炉的炉腔12上部，所述的移动板6滑配合于导轨5内，

所述的移动板6的前端固定有一挡板7。每根热电偶丝2弯折成横向部分和竖直向部分。

所述的横向部分固定在移动板6上，即所述的移动板6为中空结构，所述的两根热电偶丝

2外包裹有一层耐高温绝缘绝热的玻璃丝布，每根热电偶丝2的横向部分位于移动板6的

中空部且横向部分的玻璃丝布与移动板6之间填充有耐火泥。所述的竖直向部分向下延伸。

所述的测温节点4位于两根竖直向部分的下端，所述的测温节点4为半球状，所述的测温

节点4的下端面与坯料11的上表面形状吻合（图中未画出）。所述的测温节点4与移动板

6之间设有能将测温节点4压紧在坯料11上表面的压紧装置，即所述的测温节点4的上部

固定有陶瓷垫圈I8，所述的热电偶丝2的竖直向部分的上部设有与移动板6固定的陶瓷垫

圈II9，所述的陶瓷垫圈I8与陶瓷垫圈119之间设有压簧10，所述的热电偶丝2的竖直向

部分从上往下依次贯穿陶瓷垫圈29、压簧10和陶瓷垫圈I8。所述的导轨5，移动板6、

挡板7、压簧10都为不导磁材料如不导磁不锈钢构成。

    如图5、图6、图7所示，本发明中频透热炉中移动坯料的温控方法，其步骤如下：

    a、确定理想曲线，根据坯料11的尺寸和材料，利用计算机仿真软件如Ansys仿真软

件模拟出最优化的坯料11均匀透热的温度与时间曲线，即理想曲线，并将该理想曲线输入

温控仪表1；如果在坯料的透热过程中坯料温度值随时间的变化与该曲线吻合，则透热后

的坯料满足温度均匀化；

    b、从该曲线上找出设计要求的坯料Il透热后的温度值所对应的时间，该时间就是坯

料11在炉体内的停留时间的最佳值；

    c、将坯料11在炉体内开始透热的时刻作为起始时刻，通过权利要求1所述的测温装

置测出该时刻坯料11的温度值；

    d、温控仪表1将上一步骤中测出的温度值与步骤a中的理想曲线上同一时刻的温度值

进行比较，得到差值；

    e、温控仪表1将上一步骤中得到的差值反馈给中频控制柜；

    f、中频控制柜根据上一步骤中反馈的差值换算出合适的电压值、电流值和频率值，并

将上述电压值、电流值和频率值施加到中频透热炉的感应线圈两端，使得中频透热炉产生

新的输出功率值和透热频率值，此刻产生的新的输出功率值和透热频率值，能使得坯料11

的温度值向理想曲线上此刻的温度值逼近

    g、用PLC控制面板记录此刻中频透热炉的输出功率和透热频率；

    h、在权利要求1所述的温控装置的上一次测温过程结束后，经历一个温度值采集时间

间隔，再用权利要求1所述的温控装置测出该时刻坯料II的温度值，所述的温度采集时间

间隔是指前后两次采集温度的过程所间隔的时间，它是由人们根据需要在温控仪表1上设

定的，如0. Ols;

    i、重复步骤d—g;

    j、多次重复步骤h～i，直至坯料1 1透热完成离开炉体：

    k、将PLC控制面板记录的坯料II透热全过程中各个时刻的中频透热炉的输出功率和

透热频率导入计算机，通过计算机数值拟合的方法如线性拟合法得出中频透热炉的输出功

率和透热频率的拟合值，上述两个拟合值就是中频透热炉的输出功率、炉体的透热频率两

个参数的最佳值。